[論文レビュー] Nematic electron states enhanced by orbital band hybridization

Wei-Cheng Lee, Congjun Wu|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、遷移金属酸化物における軌道バンド混合が、s波から非s波チャネルへのラウド相互作用の重みのシフトを引き起こし、従来の相互作用のもとでも異方的なフェルミ面歪みを誘発するnematic電子状態を駆動することを提案する。d_{xz}およびd_{yz}バンドが混合された多バンド Hubbard モデルにおいて、メタ磁性結合を通じてnematic秩序が安定化されることを示し、高磁場下のSr₃Ru₂O₇における異方的状態を説明する。

ABSTRACT

We extend the study of the Fermi surface instability of the Pomeranchuk type into systems with orbital band structures, which are common features in transition metal oxides. Band hybridization significantly shifts the spectra weight of the Landau interactions from the conventional s-wave channel to unconventional non-s-wave channels, which results in anisotropic (nematic) Fermi surface distortions even with ordinary interactions in solids. The Ginzburg-Landau free energy is constructed by coupling the charge-nematic, spin-nematic and ferromagnetic order parameters together, which shows that nematic electron states can be induced by metamagnetism. The connection between this mechanism to the anisotropic metamagnetc states observed in Sr$_3$Ru$_2$O$_7$ at high magnetic fields is studied in a multi-band Hubbard model with the hybridized quasi-one dimensional $d_{xz}$ and $d_{yz}$-bands.

研究の動機と目的

• 従来のs波Pomeranchuk不安定性を超えるフェルミ面不安定性を引き起こす軌道バンド混合の役割を調査すること。
• バンド混合がラウド相互作用のチャネル優位性をどのように変化させ、異方的（nematic）フェルミ面歪みを生じさせるかを理解すること。
• スピンペアリングとnematic秩序の関係を、Sr₃Ru₂O₇のような相関電子系において確立すること。
• 電荷nematic、スピンnematic、強磁性秩序パラメータを結合するギンツブルグ＝ランドウ自由エネルギー枠組みを構築し、出現するnematic性を探索すること。

提案手法

• Sr₃Ru₂O₇に関連するハイブリッド化された一维的準粒子d_{xz}およびd_{yz}バンドを組み込んだ多バンド Hubbard モデルを構築する。
• バンド混合に起因するラウド相互作用のスペクトル重み再分配を分析し、s波から非s波チャネルへの優位性のシフトを明らかにする。
• 電荷nematic、スピンnematic、強磁性秩序パラメータを結合するギンツブルグ＝ランドウ自由エネルギー関数を導出する。
• ギンツブルグ＝ランドウ枠組みを用いて、メタ磁性条件下におけるnematic秩序の安定性と相乗的相互作用を探索する。
• 解析的および数値的解析を実施し、バンド混合および磁場誘起効果によって駆動されるnematic状態の出現を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道バンド混合は、相関電子系におけるラウド相互作用のチャネル構造をどのように変化させるか？
• RQ2 バンド混合が相互作用の重みを非s波チャネルへシフトさせることで、従来の電子間相互作用のもとでもnematicフェルミ面歪みが生じ得るか？
• RQ3 高磁場下のSr₃Ru₂O₇のnematic電子状態の安定化に、メタ磁性が果たす役割は何か？
• RQ4 ギンツブルグ＝ランドウ記述において、電荷nematic、スピンnematic、強磁性秩序パラメータはどのように結合し、nematic性を可能にするか？
• RQ5 Sr₃Ru₂O₇における観測された異方的メタ磁性状態の多くは、バンド混合に起因するnematic性によって説明可能か？

主な発見

• 軌道バンド混合により、ラウド相互作用の支配的チャネルがs波から非s波へシフトし、通常の相互作用のもとでも異方的フェルミ面歪みが可能になる。
• ギンツブルグ＝ランドウ自由エネルギー枠組みは、特にスピンnematicおよび強磁性揺らぎを介して、nematic秩序がメタ磁性状態との結合によって誘発され得ることを確認した。
• d_{xz}およびd_{yz}バンドを有する多バンド Hubbard モデルにおいて、バンド混合はnematic感受率を顕著に増幅させる。
• 本モデルは、高磁場下のSr₃Ru₂O₇で観測された異方的メタ磁性状態の主要な特徴を再現し、バンド混合に起因するnematic性と関連づけた。
• 電荷nematic、スピンnematic、強磁性秩序パラメータの共存および結合が、明示的なnematic相互作用がなくてもnematic電子状態を安定化させる。